Гибридный усилитель РА-10

Перед началом работ я поставил перед собой несколько задач, которые хотел бы решить в конструкции усилителя. Первая задача касается его звучания. Есть очень много усилителей, обладающих впечатляющими параметрами, но звучание, которых отталкивает, а прослушивание сопровождается утомляемостью. Наиболее серьезной технической проблемой таких усилителей является наличие тепловых искажений - одного из видов нелинейных искажений. Они в разном виде проявляются как во входных цепях, так и в выходных каскадах. Наиболее простым решением является использование компонентов, практически неподверженных изменению режимов работы при изменении рабочей температуры. Вторая задача связана с имеющимся корпусом от усилителя "Эстония УМ-010", в который я хочу встроить разрабатываемый усилитель. Силовой тороидальный трансформатор, установленный в нем, весьма неплох и имеет габаритную мощность порядка 400 Вт и хороший магнитный экран. Трансформатор, после выпрямителя, выдает ±32 В без нагрузки, что позволяет сделать усилитель с мощностью до 50 Вт на канал на нагрузке 8 Ом. С имеющимися небольшими радиаторами говорить о классе "А" работы выходного каскада не имеет смысла. Поэтому усилитель должен иметь выходной каскад, работающий в классе "АВ".

Я стараюсь использовать минимальное количество каскадов усиления звука, исходя из практики, такие решения имеют лучшую слитность и чистоту звучания. Наиболее простым способом получения высокого усиления по напряжению, совмещенного с высокой линейностью и минимумом тепловых искажений, является использование хорошего пентода. Я остановился на лампе 6Ж43П, она одновременно дает высокое усиление, имеет высокую мощность, что позволит работать сразу на выходной каскад, и имеет в ТУ нормировку параметров нелинейных искажений.

Для выходного каскада я выбрал латеральные полевые транзисторы с изолированным затвором. Они практически не имеют зависимостей рабочих режимов от температуры. За рубежом выпускаются комплиментарные пары таких транзисторов. Однако транзисторы в таких парах имеют различные динамические параметры. Гораздо интереснее применить транзисторы одной проводимости. Это можно реализовать двумя способами. Первый - использование архитектуры циклотрона выходного каскада. Он мне не подходит, поскольку потребует четыре независимых источника силового питания, а у меня в распоряжении только два. Второй - это схема с использованием межкаскадного трансформатора.

Структурная схема усилителя представлена на рис. 1. Фазорасщепляющий межкаскадный трансформатор позволяет решить сразу несколько проблем: подача сигналов одинаковой формы, но противоположной фазы на затворы выходных транзисторов, отвязка выходных каскадов от высоковольтного питания входного каскада, развязка от помех по питанию между силовым и высоковольтным питанием. Схема была рассчитана с использованием бесплатной программы моделирования LTSpice. С ее помощью удалось подобрать оптимальный коэффициент трансформации межкаскадного трансформатора, равный 2:1+1. Если поднимать коэффициент трансформации, то повышается глубина ООС, но сужается полоса усиления и, соответственно, качество передачи на высоких частотах. Снижение коэффициента трансформации требует большего размаха напряжения сигнала на аноде и начинает проявляться нелинейность уже самого пентода. Конденсатор в цепи ООС компенсирует фазовый сдвиг в работе трансформатора и обеспечивает общую устойчивость усилителя на ВЧ.

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2. Петля ОООС разорвана по постоянному току. По этой причине требуется применение сервосистемы для балансировки выходного каскада. Я выбрал схему с интегратором, питающимся от плавающего питания, синхронного с выходным сигналом с управлением верхним транзистором по затвору. Чтобы сервосистема не влияла на качество звучания усилителя, ОУ интегратора должен быть достаточно широкополосным, чтобы сигналы звуковых частот не проходили через интегратор. Поэтому был выбран широкополосный ОУ с полевыми транзисторами на входе и низким напряжением питания. Резистор R31 необходим для работы сервосистемы в отсутствии нагрузки. При его отсутствии петлевое усиление внутри цепи ООС получается очень большим, и сервосистема возбуждается на инфранизких частотах.

Сигнал от трех пар входных клемм коммутируется сигнальными реле К1-К3 и далее подается на регулятор громкости на сдвоенном резисторе R1. Резистор R9 ограничивает постоянный ток второй сетки и защищает ее при случайной потери контакта в цепи анода. Стабилитроны VD1...VD4 защищают затворы выходных транзисторов от пробоя высоким напряжением. Для предотвращения появления слишком большого тока в момент зарядки конденсаторов силового питания, сначала питание на силовой трансформатор подается через токоограничивающий резистор R34 через реле К4, а через две секунды срабатывает реле К5, подключающее силовой трансформатор к сети напрямую.

Для управления усилителем сделана схема на микроконтроллере, которая следит за рабочими режимами усилителя по напряжению на резисторе автосмещения R8 и напряжению на выходе усилителя и управляет сигнальными и силовыми реле. Для питания входной части усилителя и микроконтроллера использован отдельный трансформатор Т1. После прогрева лампы появляется смещение на резисторе R8, после чего контроллер включает сначала реле К4, а потом К5. Если постоянное напряжение на выходе усилителя выйдет за допустимые пределы, микроконтроллер отключает силовое питание.

У усилителя получились следующие параметры: выходная мощность на каждый канал при ограничении по коэффициенту нелинейных искажений в 1% на нагрузку 8 Ом - 35 Вт, на нагрузку 4 Ом - 50 Вт; полоса усиления по уровню -3дБ и нагрузке 8 Ом - 7 Гц...50 кГц; глубина ООС в диапазоне частот 200 Гц - 20 кГц на нагрузке 8 Ом - 15-18 дБ.

Для усилителя потребовалось изготовить два вида трансформаторов: питания входного каскада и межкаскадные трансформаторы. Оба вида трансформаторов намотаны на магнитопроводе В43 завода "Комета", который примерно соответствует ПЛР13x25. Межкаскадный трансформатор содержит две катушки, первичные обмотки соединены параллельно, а вторичные использованы раздельно. Первичные обмотки намотаны проводом ПЭТВ-2 0,118, вторичные - ПЭТВ-2 0,18. Намотка каждой катушки выполнена в 9 секций. Первой наматывается секция вторичной обмотки, после чего они идут по очереди. Количество слоев по секциям: 1-3-2-5-5-5-2-3-1. Каждый слой вторичной обмотки состоит из 159 витков, а первичной - из 227 витков. Итого, первичная обмотка содержит 3632 витка, а вторичная - 1749 витков. Между слоями прокладывается один слой конденсаторной бумаги толщиной 0,02 мм. Между секциями прокладывается один слой крафтбумаги толщиной 0,12 мм. Сопротивление пары первичных обмоток около 310 Ом. Сопротивление каждой вторичной обмотки около 64 Ом. Поскольку начальный ток через пентод невелик, то зазора при сборке трансформатора не потребовалось. Трансформатор питания входной части усилителя и цифрового контроллера состоит из двух одинаковых катушек, обмотки на которых соединены параллельно. Надо помнить, что для параллельного соединения катушек трансформаторов на П или ПЛ сердечниках, намотку второй катушки надо производить в противоположном направлении. Первичная обмотка состоит из 3540 витков проводом ПЭТВ-2 0,125 для напряжения питания 240 В с отводом от 295 витка для работы от 220 В. Высоковольтная вторичная обмотка состоит из 2640 витков тем же проводом. На каждой катушке накальная обмотка выполнена из четырех обмоток, соединенных параллельно по 111 витков проводом ПЭТВ-2 0,25. Обмотка для питания цифровой части состоит из 177 витков того же провода. Между всеми обмотками проложена крафтбумага. Эти три трансформатора и имеющийся силовой тороидальный трансформатор пропитаны в церезине, что снижает их вибрации и заметно улучшает звучание усилителя.

Если в конструкции усилителя применить вместо отечественных транзисторов 2П904А (КП904А) импортные транзисторы BUZ900, BUZ901 или 2SK1058, то мощность усилителя возрастет, а искажения несколько снизятся. При этом надо уменьшить коэффициент передачи межкаскадного трансформатора до 4:1 +1 и увеличить значение резистора R18 до 2,2-4,7 МОм.